北京
大气湍流曾使开放空气中的激光束发生畸变，导致潜在的数据丢失。
一束穿过大学校园的激光，可能刚刚解决了电信领域最古老的问题之一。
南非金山大学和法国波尔多大学的研究人员展示了一种在开放空气中传输光学数据的方法，无需复杂的系统来校正大气畸变。
通过开放空气传输数据一直是一件麻烦事。地球大气是混沌的。冷暖气团的漩涡会使光信号扭曲、散射和混乱，往往需要动用大量计算能力和昂贵自适应光学系统，才能将破碎的数据重新拼合起来。
如今，一项世界首创的激光实验表明，我们完全可以对畸变置之不理。
该团队成功地在湍流的开放空气中传输了数据，且数据完整性完全未受影响。这一切都要归功于拓扑学。
“我们创建并传输了这些类粒子的光拓扑结构，穿过一条270米的自由空间光链路，揭示了它们在各种条件和湍流强度下的鲁棒性，”研究指出。
拓扑学是数学的一个分支，研究的是物体在被拉伸、扭曲或挤压时仍保持不变的属性。
“为了解释它的好处，我们可以把它比作一个咖啡杯可以被重塑成甜甜圈的形状，”金山大学物理学院结构光实验室负责人安德鲁·福布斯教授说。
“尽管它们形状迥异，但两者都有一个洞。你可以拉伸或扭曲它们，而不会改变这一基本属性。同样，光束可以发生严重畸变，但其拓扑信息保持不变，”福布斯补充道。
该团队将这一概念应用于光，把信息编码到被称为斯格明子的奇异的类粒子磁结构中。将信息编码到光的拓扑轮廓中，为数据提供了一层无形的铠甲，而不是依赖其原始亮度或颜色。
为了验证这一理论，编码了斯格明子的激光束在约翰内斯堡金山大学西校区的两栋建筑之间跨越数百米发射。光束经历了真实世界中的热量、风和大气噪声。
当光到达接收器时，光束的形状已经完全变形。但令人惊讶的是，底层的拓扑数据却完好无损。
因此，数据在大多数条件下以超过98%的保真度通过开放空气传输，仅在极端湍流下降至86%。
光纤电缆通过屏蔽颜色、强度和偏振免受外部干扰来保护光信号。相比之下，让无引导的光穿过开放空气，会使这些信号更容易受到大气湍流等环境干扰的影响。
到目前为止，自由空间光通信系统需要持续、实时的重新计算来消除大气造成的损害。接收器必须测量畸变，并启动动态硬件校正，才能读取干净信号。
但现在，有了这种新方法，拓扑结构能够在混沌中幸存。因此，接收器可以直接读取编码的有效载荷，而无需先清理光束。
当然，如果实现规模化，其应用将是巨大的。消除对笨重校正硬件的需求，可以降低长距离光网络的能耗和计算需求。
特别是，这一进展可能有益于深空任务、高速卫星下行链路和量子密码学。在更贴近日常生活的层面，它或许能弥合数字鸿沟，而无需铺设数英里的昂贵光纤电缆。这项技术可能很快为农村和偏远社区提供价格低廉的高速互联网，直接通过天空传输。
该研究结果发表在《科学进展》杂志上。
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